岳峻峰， 丁建良， 徐力剛， 鄒 磊， 張恩先，管詩駢， 黃亞繼， 陳 波

(1．江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102；2．東南大學 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096)

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三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器積灰分段監(jiān)測模型研究

岳峻峰1， 丁建良1， 徐力剛2， 鄒 磊1， 張恩先1，管詩駢1， 黃亞繼2， 陳 波2

(1．江蘇方天電力技術有限公司，南京 211102；2．東南大學 能源熱轉(zhuǎn)換及其過程測控教育部重點實驗室，南京 210096)

針對三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器熱段和冷段積灰分段監(jiān)測的需求，基于空氣預熱器的傳熱模型，定義空氣預熱器利用系數(shù)作為清潔因子并建立積灰分段監(jiān)測模型.通過分析空氣預熱器實時運行參數(shù)，根據(jù)熱平衡原理確定了清潔因子計算步驟.以某1 000 MW超超臨界直流鍋爐的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器為例，研究了熱段、冷段清潔因子在空氣預熱器積灰和吹灰時的變化趨勢.結(jié)果表明：根據(jù)所建模型計算出的分段清潔因子變化趨勢在穩(wěn)定負荷下能夠反映此空氣預熱器的分段積灰情況，而在變負荷情況下雖有一定偏離，但由于電廠變負荷工況下很少吹灰故影響較??；該積灰監(jiān)測模型可作為三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器熱冷分段積灰監(jiān)測的有效手段.

三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器； 積灰監(jiān)測； 利用系數(shù)； 清潔因子； 穩(wěn)定負荷； 變負荷

大型電站燃煤鍋爐多采用三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器回收煙氣熱量來預熱空氣，由于三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器傳熱元件結(jié)構緊湊且工質(zhì)通道狹窄，因此極易積灰，甚至堵塞工質(zhì)通道，導致煙氣側(cè)、空氣側(cè)流動阻力增加，傳熱效率降低，從而影響其正常工作，因而必須經(jīng)常進行吹灰清潔.三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的傳熱元件根據(jù)材料不同分為熱段(包括熱段層和熱段中間層)和冷段(包括冷段層)，目前，電廠為強化吹灰效果已經(jīng)在熱端、冷端(上下端)都布置有蒸汽吹灰器(如圖1所示)，可分段吹灰.但在實際運行中，由于缺乏空氣預熱器積灰程度的直觀數(shù)據(jù)，會導致吹灰器開啟頻繁而蒸汽損耗過大，或?qū)е麓祷也患皶r而降低空氣預熱器傳熱效率.

圖1 空氣預熱器傳熱元件剖面圖及熱冷端吹灰器分布

Fig.1 Profile map for heat-transfer elements of air heater and distribution of soot blowers at hot and cold end

目前，三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的積灰監(jiān)測已取得了一定成果.閻維平等[1]從流動阻力角度，用折算壓差建立了回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的積灰監(jiān)測模型；藍曉村等[2]用基于煙氣壓差的積灰程度指標進行積灰監(jiān)測；Teruel等[3]引入神經(jīng)網(wǎng)絡算法建立了積灰監(jiān)測模型；張曉安等[4]基于煙氣折算壓差推導出了臨界清潔因子，并優(yōu)化吹灰過程.但上述文獻中的方法只能判斷空氣預熱器的整體積灰情況，無法進行分段監(jiān)測.因此，建立滿足要求的空氣預熱器積灰分段監(jiān)測模型顯得至關重要.

筆者基于三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器傳熱模型，定義空氣預熱器利用系數(shù)為清潔因子，建立積灰分段監(jiān)測模型.根據(jù)采集的空氣預熱器實時運行數(shù)據(jù)，結(jié)合熱平衡原理確定清潔因子的計算步驟，最后以某1 000 MW超超臨界直流鍋爐的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器為研究對象，根據(jù)模型計算分析了熱段、冷段清潔因子在該空氣預熱器中積灰和吹灰時的變化趨勢，并分析監(jiān)測模型對于穩(wěn)定負荷和變負荷工況的適用性.

1 積灰監(jiān)測模型的建立

進行空氣預熱器積灰分段監(jiān)測即能夠獲得熱段、冷段的實時積灰變化，基于熱平衡原理建立監(jiān)測模型，通過三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器(以下簡稱三分倉空預器)傳熱模型分析實時運行中空氣預熱器的分段積灰情況，并定義能夠反映積灰情況的清潔因子.

1.1 三分倉空預器傳熱模型

三分倉空預器采用裝有蓄熱板的轉(zhuǎn)子依次旋轉(zhuǎn)通過煙氣區(qū)和空氣區(qū)的換熱方式，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)1周就完成一個熱交換過程，換熱為非穩(wěn)態(tài)周期過程，傳熱模型復雜.為了簡化計算，可以認為此空氣預熱器傳熱過程為準穩(wěn)態(tài)對流傳熱過程[5-6]，即煙氣以對流方式將熱量傳遞給空氣，且煙氣側(cè)放熱與空氣側(cè)吸熱平衡.

1.1.1 煙氣-空氣傳熱計算模型

空氣預熱器煙氣-空氣傳熱模型如式(1)和式(2)所示[7]，式(1)表示煙氣側(cè)放熱，式(2)表示空氣側(cè)吸熱.

(1)

(2)

計算時可將一、二次風側(cè)吸熱看成一個整體考慮，因此空氣側(cè)進、出口焓用一、二次風的流量份額加權平均，即

(3)

(4)

空氣預熱器傳熱系數(shù)K的計算式如式(5)所示；式(6)為吸放熱系數(shù)計算公式，由于煙氣側(cè)和空氣側(cè)傳熱元件相同，公式相同；式(7)為傳熱方程.

(5)

(6)

(7)

式中：ξ為能夠表征受熱面清潔程度的利用系數(shù)；αy為煙氣側(cè)對流放熱系數(shù)，kW/(m2·K)；αk1、αk2分別為一、二次風對流吸熱系數(shù)，kW/(m2·K)；xy、xk1、xk2分別為煙氣、一次風和二次風通道受熱面面積占總受熱面積的百分比；deq為蓄熱板當量直徑，m；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特數(shù)；λ為工質(zhì)導熱系數(shù)，kW/(m·K)；Z為蓄熱板型系數(shù)；Ct、CL為計算中涉及的修正系數(shù)，對三分倉空預器換熱來說都可取1；H為空氣預熱器受熱面積，m2；ΔT為對數(shù)平均溫差，K；Bj為計算燃煤量，kg/s；下標y(k)表示煙氣側(cè)和空氣側(cè)的公式相同.

式(1)～式(7)構成了三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的煙氣-空氣傳熱計算模型，既適用于整體計算也適用于熱冷分段計算.值得注意的是，由于熱段與冷段的傳熱元件材料不同，式(6)只適用于分段計算，在空氣預熱器整體計算時吸放熱系數(shù)是通過分段計算并根據(jù)受熱面面積份額加權平均獲得的.

1.1.2 蓄熱板傳熱計算模型

在三分倉空預器傳熱模型中，除了煙氣與空氣間的傳熱外，還有煙氣、空氣與蓄熱板間的傳熱[8].假設在流動方向和蓄熱板隨轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向上，煙氣、空氣和蓄熱板溫度(煙氣、空氣進口溫度除外)呈線性變化[9]，則可用式(8)～式(10)表示煙氣、空氣與蓄熱板之間的傳熱過程(蓄熱板傳熱方程與空氣預熱器的風道布置有關，此處空氣預熱器旋轉(zhuǎn)方向為煙氣到一次風，再到二次風，最后轉(zhuǎn)回煙氣).

煙氣與蓄熱板表面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

(8)

一次風與蓄熱板表面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

(9)

二次風與蓄熱板表面?zhèn)鳠岱匠蹋?/p>

(10)

邊界條件：

(11)

蓄熱板自身熱平衡(煙氣區(qū))方程：

(12)

式(8)～式(12)構成了三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器蓄熱板傳熱計算模型，由于傳熱元件的不同，通常適用于熱冷分段計算.

1.2 清潔因子定義

鍋爐受熱面現(xiàn)有的積灰監(jiān)測模型多采用可以表征受熱面清潔程度的清潔因子[10]作為監(jiān)測指標.在上述空氣預熱器傳熱模型中，利用系數(shù)ξ是考慮空氣預熱器積灰影響的參數(shù)[9]，在鍋爐實際運行中能夠反映空氣預熱器積灰的變化情況，利用系數(shù)越大，則空氣預熱器越清潔；利用系數(shù)越小，則空氣預熱器積灰越嚴重.因此，采用空氣預熱器的利用系數(shù)ξ作為清潔因子CF進行建模：

CF=ξ

(13)

由上式定義可知，當空氣預熱器較為清潔時，CF較大，趨近于1；當空氣預熱器積灰愈加嚴重時，則CF不斷減小直至趨近于0.

綜上所述，三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器的積灰分段監(jiān)測模型是通過傳熱模型計算出實時清潔因子來進行積灰實時監(jiān)測的.

2 參數(shù)分析

2.1 已知與未知運行參數(shù)

2.2 漏風系數(shù)和過量空氣系數(shù)

在三分倉空預器實際運行中，漏風通常分為直接漏風和攜帶漏風，而直接漏風又分為周向漏風和軸向漏風[11-12]，計算模型較為復雜.筆者認為可以忽略漏風的具體過程，假設煙氣側(cè)漏風全來自于空氣側(cè)，并將一、二次漏風看成整體，在整體計算時用整體漏風系數(shù)Δα表示，在分段計算時熱段、冷段漏風系數(shù)關系式見式(14)，在實際計算中具體由煙氣和空氣的熱平衡確定.

Δαh+Δαc=Δα

(14)

空氣側(cè)整體過量空氣系數(shù)其實是質(zhì)量流量的體

圖2 已知與未知運行參數(shù)

現(xiàn)，可用式(15)表示，在計算熱、冷分段空氣側(cè)過量空氣系數(shù)時，認為質(zhì)量流量的變化僅與空氣側(cè)向煙氣側(cè)漏風有關，可用式(16)和式(17)表示：

(15)

(16)

(17)

3 計算步驟

計算清潔因子的步驟流程見圖3，具體步驟如下：

(2) 假設熱段出口煙溫ty,m(冷段進口煙溫)，分別列出熱段和冷段的熱平衡方程式(18)和式(19)，計算熱段、冷段漏風系數(shù)Δαh和Δαc，以及熱段進口空氣平均溫度tk,m(即冷段出口空氣平均溫度).

(18)

(19)

圖3 計算步驟流程圖

(3) 假設熱段進口一次風溫度tk1,m(即冷段出口一次風溫度)，從而由求得的tk,m，可知熱段進口二次風溫度tk2,m，根據(jù)式(6)分別計算熱段、冷段煙氣、一次風和二次風與蓄熱板的傳熱系數(shù)，再由式(5)和式(7)分別計算熱段、冷段的受熱面利用系數(shù).

(4) 根據(jù)式(8)～式(11)，分別計算熱段煙氣通道分界面上的蓄熱板壁溫，根據(jù)式(12)列出熱段校核條件式(20)，校核熱段進口一次風溫度tk1,m假設值，若滿足條件則假設正確，進行步驟(5)；若不能滿足條件則假設錯誤，重復步驟(3)～步驟(4).

(20)

(5) 根據(jù)式(8)～式(11)，分別計算冷段煙氣通道分界面上的蓄熱板壁溫，根據(jù)式(12)列出冷段校核條件式(21)，校核熱段出口煙溫ty,m(冷段進口煙溫)假設值，若滿足條件，則輸出步驟(3)中計算出的熱段、冷段利用系數(shù)作為清潔因子；若不能滿足條件，則假設錯誤，重復步驟(2)～步驟(5).

(21)

4 計算實例及結(jié)果分析

4.1 計算實例

以某1 000 MW超超臨界直流鍋爐的容克式三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器為研究對象.該空氣預熱器型號為34VI(T)-2300M，反轉(zhuǎn)運行(煙氣到一次風，再到二次風，最后轉(zhuǎn)回煙氣)，熱段傳熱元件為DU型波紋蓄熱板，冷段傳熱元件為NF型蓄熱板(涂搪瓷)，具體結(jié)構參數(shù)見表1.

表1 結(jié)構參數(shù)

為研究此空氣預熱器的積灰變化，從鍋爐集散控制系統(tǒng)(DCS)采集離線歷史數(shù)據(jù)進行清潔因子計算分析，采樣間隔為1 min.由于鍋爐運行中存在各種擾動且熱工參數(shù)變化時間較長，對采集數(shù)據(jù)已進行算術平均預處理.

4.2 積灰和吹灰段監(jiān)測結(jié)果分析

為驗證上述積灰分段監(jiān)測模型的可行性，選取一段穩(wěn)定負荷并且包含熱段、冷段吹灰的時間進行分析對比.

圖4為穩(wěn)定負荷下(925 MW左右)熱段和冷段清潔因子的變化曲線.先分析吹灰段，根據(jù)電廠實際考察結(jié)果，冷端吹灰器開啟頻率較高，通常其連續(xù)吹灰2次熱端吹灰器開啟一次.從圖4(b)可以看出，熱段和冷段清潔因子在實際記錄的吹灰段(熱段為4:50-5:20，冷段為4:00-4:30和4:50-5:20)內(nèi)雖有所波動但都有明顯上升，表明空氣預熱器在吹灰時積灰減少，清潔程度增加，清潔因子的變化與空氣預熱器實際清潔程度相符.

(a) 負荷變化

(b) 熱段、冷段清潔因子的變化

而在積灰段，熱段、冷段清潔因子在沒有進行吹灰的積灰時間里(熱段為1:14-4:50，冷段為1:14-4:05)，清潔因子雖有所波動但整體趨勢下降，表明空氣預熱器的積灰不斷增加，清潔程度下降.同時，冷段的清潔因子整體小于熱段的清潔因子，且下降幅度、速率均較大，表明空氣預熱器的冷段比熱段積灰嚴重且積灰較快，與電廠實際考察情況相符.

綜上所述，清潔因子曲線能夠反映空氣預熱器熱段、冷段的積灰和吹灰情況，建立的積灰分段監(jiān)測模型可滿足要求.

4.3 變負荷工況下監(jiān)測模型的適用性

在鍋爐運行中常有負荷變化率大于3%/min的變負荷工況[13]，選取一段變負荷工況且無吹灰的時間段進行分析，結(jié)果見圖5.

從圖5可以看出，在穩(wěn)定負荷段(6:30-7:45和9:00-10:00)，熱段、冷段的清潔因子變化較為正常，略有波動但幅度不大；而在變負荷段(7:45-9:00)，熱段、冷段的清潔因子變化較大，偏離正常范圍.這是由于所建立的積灰分段監(jiān)測模型是基于空氣預熱器傳熱平衡的前提建立的，在變負荷工況下，由于燃煤量改變導致煙氣溫度和流速突變，以及壓力突變導致工質(zhì)物性變化等原因，傳熱為不平衡過程[14]，則熱平衡原理并不適用，即所建立的積灰分段監(jiān)測模型不適用于變負荷工況.

一般情況下，電廠為保證機組運行安全，不會在負荷變化劇烈階段進行吹灰，所以盡管所建立的積灰分段監(jiān)測模型不適用于變負荷工況，但仍可以作為空氣預熱器積灰分段監(jiān)測的較好手段，進行熱冷分段積灰監(jiān)測.

(a) 負荷變化

(b) 熱段、冷段清潔因子的變化

5 結(jié) 論

(1) 基于熱冷分段積灰監(jiān)測的思想，所建立的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器積灰分段監(jiān)測模型能夠滿足當今電廠空氣預熱器分段吹灰的要求.

(2) 在清潔因子的計算步驟中提出的漏風系數(shù)計算模型基于熱平衡原理，忽略了具體的漏風過程，簡化了漏風系數(shù)計算過程.

(3) 穩(wěn)定負荷下的三分倉回轉(zhuǎn)式空氣預熱器分段清潔因子計算結(jié)果與實際的積灰程度相符，能夠反映空氣預熱器熱段和冷段積灰的變化趨勢，所建立的積灰分段監(jiān)測模型在穩(wěn)定負荷下能夠滿足積灰分段監(jiān)測的要求.

(4) 變負荷下的清潔因子計算結(jié)果誤差過大，這是由于變負荷下空氣預熱器傳熱不平衡，熱平衡原理不適用，所建立的積灰分段監(jiān)測不適用于變負荷工況.但由于電廠在負荷變化較為劇烈的階段很少進行吹灰，因此該積灰監(jiān)測模型可作為熱、冷分段積灰監(jiān)測的有效手段.

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Study on Segmented Model for Fouling Monitoring of Tri-sectional Rotary Air Heaters

YUEJunfeng1,DINGJianliang1,XULigang2,ZOULei1,ZHANGEnxian1,
GUANShipian1,HUANGYaji2,CHENBo2

(1. Jiangsu Frontier Electric Technology Co., Ltd., Nanjing 211102, China; 2. Key Laboratory of Energy Thermal Conversion and Control, Ministry of Education, Southeast University, Nanjing 210096, China)

To realize the segmented monitoring of ash fouling respectively in hot and cold section of a tri-sectional rotary air heater, a segmented model was set up based on the heat transfer model of air heater and by defining the utilization coefficient as the cleanliness factor, of which the calculation steps were determined according to the heat balance principle and the real-time operating data. Taking the tri-sectional rotary air heater in a 1 000 MW ultra supercritical once-through boiler as an example, variation trends of cleanliness factor in both the hot and cold section were analyzed during soot formation and blowing period. Results show that the variation trends of segmented cleanliness factor calculated by the model can reflect actual fouling situation in hot and cold section during stable load operation of the air heater; however, in variable load operation, the data may have some deviations, which would hardly bring problems, since soot-blowing is rarely performed under varying load conditions. The segmented model may therefore serve as a reference for ash fouling monitoring in hot and cold section of tri-sectional rotary air heaters.

tri-sectional rotary air heater; ash fouling monitoring; utilization coefficient; cleanliness factor; stable load operation; variable load operation

2015-09-29

2015-12-10

岳峻峰(1976-)，男，內(nèi)蒙古鄂爾多斯人，高級工程師，碩士，主要從事電站鍋爐燃燒優(yōu)化及性能試驗方面的研究. 電話(Tel.)：15905166908；E-mail：jfyue_jsepri@163.com.

1674-7607(2016)10-0795-06

TK227.3

A 學科分類號：470.30